(57)【要約】【課題】  各タンクからの消費量を均等にするタンク装置を提供することを目的とする。【解決手段】  複数の独立した高圧タンクと、前記高圧タンク毎に設けられ該高圧タンク内部の流体を低圧に減圧して放出する減圧弁と、前記各減圧弁を通過した流体を合流して該高圧タンク下流の機器へ供給する供給流路と、前記供給流路とは別に、前記各高圧タンク同士を連通する連通路とを備えたタンク装置とする。【選択図】  図１
2005121173.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の独立した高圧タンクと、
前記高圧タンク毎に設けられ該高圧タンク内部の流体を低圧に減圧して放出する減圧弁と、
前記各減圧弁を通過した流体を合流して該高圧タンク下流の機器へ供給する供給流路と、
前記供給流路とは別に、前記各高圧タンク同士を連通する連通路と
を備えたタンク装置。
【請求項２】
請求項１に記載のタンク装置であって、
前記減圧弁は、該減圧弁を介して前記各高圧タンクから放出される最大流量の合計が前記下流の機器から要求される最大流量以上であり、かつ、該減圧弁を介して該各高圧タンクから放出される最大流量が該下流の機器から要求される最大流量以下である能力を備えたものであるタンク装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のタンク装置であって、
前記各高圧タンクと前記連通路との間に介装され、該高圧タンクから該連通路への流れに伴って発生する圧力差によって開閉する弁を有し、該弁が閉弁することで該各高圧タンクからの所定流量以上の放出を防止する過剰流量防止手段を備えたタンク装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載のタンク装置であって、
前記連通路は、管径が１／８インチ以下の径である高圧配管を用いて形成されたタンク装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載のタンク装置であって、
前記高圧タンクは、２０ＭＰａ以上の高圧流体を貯留するタンクであるタンク装置。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載のタンク装置であって、
前記連通路と接続し、該連通路を介して前記各高圧タンクに流体を充填する第１の充填流路を備えたタンク装置。
【請求項７】
請求項６に記載のタンク装置であって、
前記連通路とは別に、前記各高圧タンク同士を連通し、該連通路よりも大径である大径連通路と、
前記大径連通路と接続し、該大径連通路を介して前記各高圧タンクに流体を充填する第２の充填流路とを備え、
前記第１の充填流路と前記第２の充填流路とを用いて前記各高圧タンクに流体を充填する
タンク装置。
【請求項８】
請求項７に記載のタンク装置であって、
前記第１の充填流路と前記第２の充填流路とを接続する充填ポートと、
前記充填ポートに供給する流体の圧力と前記高圧タンクの内部の圧力との圧力差を検出する差圧検出手段と、
前記充填ポートとの接続を、前記第１の充填流路から前記第２の充填流路へ切替える流路切替手段と、
前記検出された圧力差が所定の値より小さくなる場合には、前記第２の充填流路からの充填を行なうように、前記流路切替手段を用いて、前記充填流路の切替を制御する切替制御手段と
を備えたタンク装置。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれかに記載のタンク装置であって、
前記高圧タンクは、車両に搭載する燃料電池システムの水素ガスを貯留するタンクであるタンク装置。
【請求項１０】
請求項１ないし８のいずれかに記載のタンク装置であって、
前記高圧タンクは、車両に搭載する内燃機関に燃料として供給する天然ガスを貯留するタンクであるタンク装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のタンクを備えたタンク装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、高圧ガスを複数本のタンクに貯留して用いるタンクシステムがあり、例えば、水素ガスと酸素ガスとの反応で電力を出力する燃料電池システムでは、多量の水素ガスを貯留するために、複数本の高圧タンクを並列に接続して使用している。こうした燃料電池システムでは、燃料電池の構造上の理由からシステムの回路上を流れる水素ガスは低圧に減圧する必要がある。従来から、高圧タンクの口金部近傍に減圧弁を設け、減圧弁で大きく減圧した水素ガスを高圧タンク下流の機器へ供給していた（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３７０５５０号公報
【０００４】
こうした機器配置の燃料電池システムでは、高圧タンクから減圧弁までの間に高圧配管が必要となるが、安全上、高圧配管をできるだけ短くすることが望ましい。そのため、各高圧タンクの口金部に直接、減圧弁を設け、各タンクの口金部から放出される水素ガスを低圧とする構成が採られている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、こうした複数本の各高圧タンクに減圧弁を設けたタンク装置では、各高圧タンクからの水素ガスの消費量を均等にすることが困難であった。これは、高圧タンク毎に設けた減圧弁の二次圧力の設定値がわずかにバラツクことに起因する。つまり、複数本の高圧タンクのうち、設定値の高い減圧弁を有する高圧タンクから優先的に水素ガスが放出されてしまう。
【０００６】
例えば、２本の高圧タンクＡ、Ｂから水素ガスを放出するシステムにおいて、高圧タンクＡの減圧弁の設定値が高く、下流の機器で消費する水素ガスの量が一つの高圧タンクからの放出量で足りる場合には、高圧タンクＡからの放出が行なわれ、高圧タンクＡは早期に空の状態となる。その後の下流の機器への水素ガスの供給は、高圧タンクＢがまかなうことになる。こうした状況では、高圧タンクＢは、下流の機器で必要とする水素ガスの最大流量を供給できるだけの能力の減圧弁を備える必要がある。この最大流量を扱える大型の減圧弁を設ける必要のある高圧タンクは特定できず、結果として、高圧タンクＡ、Ｂ共に大型の減圧弁を備えることとなる。さらに、高圧タンクＢのみからの多量の水素ガスの放出を続ける状況が生じ、放出による急激な温度低下を発生させ、高圧タンクのシール部分のシール力の低下などが問題となっていた。このような問題は、２本以上の複数の高圧タンクを備えたシステムについても同様である。
【０００７】
本発明は、こうした問題を解決し、各タンクからの消費量を均等にするタンク装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１のタンク装置は、上記課題の少なくとも一部を解決するため、以下の手法を採った。すなわち、複数の独立した高圧タンクと、前記高圧タンク毎に設けられ該高圧タンク内部の流体を低圧に減圧して放出する減圧弁と、前記各減圧弁を通過した流体を合流して該高圧タンク下流の機器へ供給する供給流路と、前記供給流路とは別に、前記各高圧タンク同士を連通する連通路とを備えたことを要旨としている。
【０００９】
本発明の第１のタンク装置によれば、独立した各高圧タンクからの消費量の不均等により生じるタンク間の残量の差は、残量の多いタンク（つまり、内部の圧力の高いタンク）の流体が連通路を通過して残量の少ないタンク（つまり、内部の圧力の低いタンク）へ供給されることで減少する。したがって、各高圧タンクに設けた減圧弁の二次圧力の設定に誤差が生じ、所定の高圧タンクから優先的に流体が放出される場合でも、各高圧タンク間の内部の流体の消費量を均等なものとすることができる。
【００１０】
上記の構成を有するタンク装置の減圧弁は、該減圧弁を介して前記各高圧タンクから放出される最大流量の合計が前記下流の機器から要求される最大流量以上であり、かつ、該減圧弁を介して該各高圧タンクから放出される最大流量が該下流の機器から要求される最大流量以下である能力を備えたものとしても良い。かかるタンク装置によれば、連通路の作用により所定の高圧タンクのみが早期に空の状態となることがないため、高圧タンクの下流の機器へ供給する最大流量を複数の高圧タンクで負担することができる。したがって、各高圧タンクの減圧弁は、単体で最大流量を供給できる能力を備える必要がなく、各減圧弁をコンパクトなものとすることができる。
【００１１】
上記の構成を有するタンク装置は、前記各高圧タンクと前記連通路との間に介装され、該高圧タンクから該連通路への流れに伴って発生する圧力差によって開閉する弁を有し、該弁が閉弁することで該各高圧タンクからの所定流量以上の放出を防止する過剰流量防止手段を備えたものとすることができる。
【００１２】
かかるタンク装置によれば、各高圧タンクと連通路との間に設けた過剰流量防止手段は、所定の高圧タンクから偏った流体の放出が行なわれるような場合には、高圧タンクと連通路との接続状態を維持して各高圧タンク間で流体のやり取りを行ない、各高圧タンクの消費量を均等にする。他方、高圧タンクから連通路への流量が所定値以上となる場合には、弁を閉弁して高圧タンクと連通路との接続状態を遮断する。例えば、連通路からの流体の漏れや、連通路の流体が大気に開放され、高圧タンクと連通路との間に大きな差圧が生じても、高圧タンク内部からの流体の過剰放出を防止することができる。
【００１３】
上記の構成を有するタンク装置の連通路は、管径は１／８インチ以下の径である高圧配管を用いて形成されるものとしても良い。かかるタンク装置によれば、連通路には管径の細い高圧配管を使用するため、連通路の柔軟性が向上することとなる。特に、管径が１／８インチ以下の配管では配管の肉厚も減少し、柔軟性を著しく向上することができる。したがって、外部からの負荷などによって、各高圧タンク同士の相対位置が変位しても、その変位の吸収が容易となる。
【００１４】
上記の構成を有するタンク装置は、比較的圧力の高い流体を取り扱う複数のタンクであれば、圧力の値は問わないが、特に、前記高圧タンクは、２０ＭＰａ以上の高圧流体を貯留するタンクとすることができる。かかる圧力のタンク装置によれば、連通路を設けることで、複数の高圧タンクにより下流へ供給する流量を負担する。つまり、一の高圧タンクが早期に空の状態となることがないため、例えば、１本の高圧タンクで下流で必要とする最大流量をまかなうことはない。したがって、１本の高圧タンクからの多量、急激な放出を抑えることができる。その結果、流体の放出に伴う圧力、温度が急激に変化することはなく、温度変化の影響を最小限に抑えることができる。
【００１５】
上記の構成を有するタンク装置は、前記連通路と接続し、該連通路を介して前記各高圧タンクに流体を充填する第１の充填流路を備えるものとすることができる。かかるタンク装置によれば、各高圧タンクの残量をほぼ同量とする連通路は、各高圧タンクに流体を充填する通路としても働くこととなる。したがって、タンク装置全体をコンパクトなものとすることができる。加えて、連通路の作用により残量がほぼ均等である高圧タンクへ充填を行なうため、特定の高圧タンクに集中して充填が行なわれることがなく、充填による急激な温度変化を生じることもない。
【００１６】
上記の構成を有するタンク装置は、前記連通路とは別に、前記各高圧タンク同士を連通し、該連通路よりも大径である大径連通路と、前記大径連通路と接続し、該大径連通路を介して前記各高圧タンクに流体を充填する第２の充填流路とを備え、前記第１の充填流路と前記第２の充填流路とを用いて前記各高圧タンクに流体を充填するものとしても良い。かかるタンク装置によれば、連通路よりも径の大きい大径連通路を併設するため、高圧タンクへの充填に必要な時間を短縮することができる。
【００１７】
上記の構成を有するタンク装置は、前記第１の充填流路と前記第２の充填流路とを接続する充填ポートと、前記充填ポートに供給する流体の圧力と前記高圧タンクの内部の圧力との圧力差を検出する差圧検出手段と、前記充填ポートとの接続を、前記第１の充填流路から前記第２の充填流路へ切替える流路切替手段と、前記検出された圧力差が所定の値より小さくなる場合には、前記第２の充填流路からの充填を行なうように、前記流路切替手段を用いて、前記充填流路の切替を制御する切替制御手段とを備えるものとしても良い。
【００１８】
かかるタンク装置によれば、充填ポートに供給する流体の圧力と高圧タンク内部の圧力との圧力差が大きい場合、すなわち、各高圧タンク内部の流体の残量が少ない場合には、充填ポートと第１の充填流路とを接続し、連通路を介して各高圧タンクに充填を行なう。この第１の充填流路を用いた充填に伴い高圧タンク内部の圧力は上昇し、圧力差が所定の値よりも小さくなると、充填ポートの接続を第２の充填流路に切り替え、大径連通路を介して各高圧タンクに充填を行なう。つまり、圧力差の大きな場合には細い経路を用いて低速で徐々に充填を行ない、圧力差が小さくなると太い経路を用いて高速で充填する。したがって、充填時に、急激な圧力、温度変化を伴うことはない。また、各高圧タンクの残量が多く、圧力差が小さい場合には、初めから大径連通路を用いるため、充填に必要な時間を短縮することができる。
【００１９】
上記の構成を有するタンク装置の高圧タンクは、車両に搭載する燃料電池システムの水素ガスを貯留するタンクおよび車両に搭載する内燃機関に燃料として供給する天然ガスを貯留するタンクとすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明のタンク装置を燃料電池システムに搭載した一実施例について説明する。図１は、本発明のタンク装置を搭載した車両の燃料電池システムの概略構成図である。この燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応により発電するシステムであり、燃料電池による発電した電力を車両の動力源としている。図１に示すように、この燃料電池システムは、主に、燃料電池スタック１０、エアライン２０、燃料ライン３０から構成されている。
【００２１】
燃料電池スタック１０は、水素極（以下、アノードと呼ぶ）と酸素極（以下、カソードと呼ぶ）とを備えた単一セルを複数重ね合わせた積層体として形成されている。この単一セルは、セパレータ、アノード、電解質膜、カソード、セパレータをこの順に重ね合わせた構造であり、セパレータの表裏に設けた溝を介してそれぞれ供給される水素ガスおよび空気に含まれる酸素の電気化学反応により発電する。なお、本実施例では、電解質膜に固体高分子膜を用いた固体高分子型燃料電池を使用しているが、例えば、リン酸型、アルカリ型など種々の燃料電池を用いても良い。
【００２２】
この電気化学反応に使用される酸素の流路であるエアライン２０は、フィルタ４０、コンプレッサ５０、加湿器６０等とこうした機器を接続する配管とから構成されている。外部からフィルタ４０を通して取り込まれた空気は、コンプレッサ５０にて圧縮され、加湿器６０により水分を含んだ状態で燃料電池スタック１０のカソードに供給される。燃料電池スタック１０での反応に使用された後の排気は、スタック下流の排気管から外部へ排出される。この排気管路上に設けた調圧バルブ９０は、バルブの絞りを調整することで、バルブ上流側に背圧を立て燃料電池スタック１０に供給する空気の圧力を調整している。エアライン２０上に配置した温度センサ３５はフィルタ４０を通して取り込まれた空気の温度Ｔを、圧力センサ８５は燃料電池スタック１０にかかる圧力Ｐを、それぞれ検出し、その検出値を後述する制御ユニット１２０に出力する。
【００２３】
他方、燃料である水素ガスの流路である燃料ライン３０は、４本のタンクを並列に接続したタンク装置１００、タンク装置１００から放出された水素ガスを低圧に減圧する減圧バルブ１３０等とこうした機器を接続する配管とから構成されている。タンク装置１００から放出された水素ガスは、減圧バルブ１３０で低圧に減圧されて、燃料電池スタック１０のアノードに供給される。燃料電池スタック１０での反応に使用された後の排気には、反応で消費しなかった水素ガスが含まれる。この水素ガスは、水素循環ポンプ１４０により再び燃料ライン３０へ戻される。なお、タンク装置１００の構成については、後に詳細に説明する。
【００２４】
こうして供給された水素と酸素とを用いて燃料電池スタック１０から発電した電力は、インバータ１５０等に出力され、車両の走行モータ１６０の駆動に使用される。また、車両の走行に必要な電力が発電量に対して少ない場合には、余剰分をＤＣ／ＤＣコンバータ１７０等を介して蓄電池１８０に蓄電し、急加速時など、必要な電力が大きい場合に、その不足分を蓄電池１８０から補う。
【００２５】
こうした機器から構成される燃料電池システムは、各種バルブやモータ、ポンプなどのアクチュエータを制御する制御ユニット１２０を備えている。制御ユニット１２０は、各種センサからの信号を受け、燃料電池システムの運転状態を判断し、上記アクチュエータを制御する信号を出力する。具体的には、圧力センサ８５，温度センサ３５，車両の運転を管理する運転制御ユニット１２５を介したアクセルポジションセンサ１３５，車速センサ（図示せず）等の各種センサからの圧力Ｐ、温度Ｔ、アクセル開度θ、車速Ｖ等を入力し、要求される出力を算出し、調圧バルブ９０、コンプレッサ５０、水素循環ポンプ１４０や後述するタンク装置１００のシャットバルブ１１５等を制御して燃料電池システムを運転する。
【００２６】
制御ユニット１２０は、燃料電池システムの始動指令を受けると、タンク装置１００に設けたシャットバルブ１１５を開弁し、エアライン２０のコンプレッサ５０を駆動することで、燃料電池スタック１０に水素ガスおよび空気を供給する。また、燃料電池システムの停止指令を受けると、シャットバルブ１１５、コンプレッサ５０への電気信号を停止して、燃料の供給を断つ。こうした供給流量の調整を行なうことで、制御ユニット１２０は運転に必要な電力の管理を行なっている。
【００２７】
かように運転される燃料電池システムの水素ガスの供給源であるタンク装置１００は、高圧の水素ガスを貯留する４本の高圧タンク１０１，１０２，１０３，１０４と、各高圧タンク１０１，１０２，１０３，１０４の口金付近に設けたシャットバルブ１１５および減圧弁１１０と、減圧弁１１０と減圧バルブ１３０とを接続する配管１０７，１０８と、各高圧タンク１０１，１０２，１０３，１０４を接続する連通路１０６とから構成されている。
【００２８】
高圧タンク１０１，１０２，１０３，１０４は、略円筒外径を有しており、その外周をＣＦＲＰで覆うことで補強した構造である。こうすることで、約１００ＭＰaの高圧の水素ガスの貯留が可能である。この高圧タンク１０１，１０２，１０３，１０４は、両円筒端面に口金部分を備え、一方はシャットバルブ１１５および減圧弁１１０と、他方は連通路１０６とそれぞれ接続している。
【００２９】
シャットバルブ１１５は、その内部の流路を開閉する弁を備え、電気的に弁の開閉を行なうことで高圧タンク１０１，１０２，１０３，１０４内部の水素ガスの放出を調整している。減圧弁１１０は、シャットバルブ１１５の下流に配置され、シャットバルブ１１５を介した高圧の水素ガスを入力し、低圧に減圧した水素ガスを出力する。なお、減圧弁１１０は、出力する圧力を所定の値に設定するスプリングを備えた調整機構を有しており、各減圧弁１１０は所定の出力圧力（以下、二次圧力を呼ぶ）で水素ガスの放出を行なう。
【００３０】
配管１０７は、１／４インチ径を有する配管であり、各高圧タンクの減圧弁１１０と配管１０８とを接続している。配管１０８は、１／２インチ径を有する配管であり、配管１０７と接続する４箇所の接続箇所と、減圧バルブ１３０と接続する１箇所の接続箇所を備えている。各高圧タンク１０１，１０２，１０３，１０４から放出された水素ガスは、この配管１０８内で、合流して下流の減圧バルブ１３０へと流れる。連通路１０６は、１／１６インチ径を有する高圧用配管であり、各高圧タンク１０１，１０２，１０３，１０４同士と接続して、タンク内部の圧力を均等にしている。
【００３１】
こうした機器からなるタンク装置１００において、制御ユニット１２０は、燃料電池システムの運転の際、高圧タンク１０１，１０２，１０３，１０４のシャットバルブ１１５をすべて開弁する指令を出す。指令に伴いシャットバルブ１１５が開弁すると、各減圧弁１１０に高圧の水素ガスが供給される。各減圧弁１１０は、高圧の水素ガスを設定された所定の二次圧力に減圧し、減圧した水素ガスを配管１０７を介して配管１０８に出力する。配管１０８で合流した水素ガスは、下流の減圧バルブ１３０に供給され、更に低圧に減圧される。
【００３２】
つまり、高圧タンク１０１，１０２，１０３，１０４から放出される高圧の水素ガスは、各高圧タンク１０１，１０２，１０３，１０４に設けた減圧弁１１０，燃料ライン３０に設けた減圧バルブ１３０を経ることで、２段階に減圧されている。こうすることで、高圧タンク１０１，１０２，１０３，１０４直後の配管１０７，１０８を流れる水素ガスを比較的、低圧とすることができると共に、１段で減圧する場合に比して、減圧能力の低い、すなわち小型の減圧弁１１０および減圧バルブ１３０を使用することができる。
【００３３】
減圧バルブ１３０を経て、燃料電池スタック１０へ供給された水素ガスは、燃料電池スタック１０での電気化学反応で消費される。この消費と共にタンク装置１００から順次、水素ガスの放出が行なわれ、各高圧タンク１０１，１０２，１０３，１０４内の水素ガスの残量、つまり、タンク内圧は減少する。
【００３４】
一般に、こうしたタンク内圧の減少速度は、各高圧タンク１０１，１０２，１０３，１０４ごとに異なる。各高圧タンク１０１，１０２，１０３，１０４の減圧弁１１０の二次圧力の設定値を完全に同一にすることは困難であり、各減圧弁１１０の二次圧力の設定には僅かながら誤差が生じるからである。タンク装置１００から放出される水素ガスは、この二次圧力の設定値が高いタンクから優先的に放出されることとなる。特に、燃料電池スタック１０での電気化学反応に必要な水素ガスが少量である場合には、ほとんど二次圧力の設定値が高い特定のタンクのみからの放出が行なわれる。その結果、特定のタンクの減少速度が速くなり、４本の高圧タンク間で圧力差が生じる。
【００３５】
本実施例では、こうした減圧弁１１０の設定誤差がある場合にも、水素ガスが連通路１０６を介して各高圧タンク１０１，１０２，１０３，１０４間を移動するため、高圧タンク１０１，１０２，１０３，１０４間での圧力差が生じることはない。したがって、各高圧タンク１０１，１０２，１０３，１０４からの水素ガスの消費量を均等にすることができる。
【００３６】
更に、特定のタンクのみが早期に空になるシステムでは、燃料電池スタック１０にて必要となる水素ガスの最大流量をＱとすると、各減圧弁の放出流量ｑが最大流量Ｑ以上（ｑ≧Ｑ）の能力であるものを選択する必要がある。こうした従来のシステムでは、１本のタンクからでも最大流量Ｑの供給を可能としておく必要があるが、本実施例では、連通路１０６の作用により特定のタンクのみが早期に空の状態となることがなく、燃料電池スタック１０へ供給する水素ガスは、常に４本の高圧タンク１０１，１０２，１０３，１０４で負担することができる。したがって、各減圧弁１１０の放出流量ｑを最大流量Ｑ以下（ｑ≦Ｑ）とすることができ、従来のシステムの減圧弁に比べて、小型の減圧弁１１０を使用することができる。
【００３７】
加えて、連通路１０６には、１／１６インチの細い配管を使用しているため、配管に柔軟性がある。したがって、車両の振動、衝撃等により高圧タンク１０１，１０２，１０３，１０４同士の相対位置が変位しても、連通路１０６はその変位を吸収しやすいものとすることができる。なお、本実施例では、連通路１０６の径を１／１６インチとしたが、１／８インチ以下であれば充分に柔軟性がある配管とすることができる。
【００３８】
こうしたタンク装置１００の連通路１０６には、高圧タンク１０１，１０２，１０３，１０４からの高圧の水素ガスが流れるため、高圧タンク１０１，１０２，１０３，１０４からの水素ガスの漏れを防止する機構を付加するものとしても良い。図２は、連通路１０６に所定流量以上の流れを防止するバルブを付加したタンク装置の概略構成図である。図示するように、このタンク装置２００は、４本の高圧タンク１０１，１０２，１０３，１０４と、シャットバルブ１１５と、減圧弁１１０と、減圧弁１１０と減圧バルブ１３０とを接続する配管１０７，１０８と、連通路１０６と、タンクから連通路１０６への所定値流量以上の流れを防止する過剰流量防止バルブ２１０とから構成される。なお、過剰流量防止バルブ２１０以外の構成部品は、図１に示したタンク装置１００の構成部品と同一であるため、説明は省略する。
【００３９】
過剰流量防止バルブ２１０は、連通路１０６と各高圧タンク１０１，１０２，１０３，１０４との間にそれぞれ介装され、所定流量の流れに対しては内部の流路を開口して、各高圧タンク１０１，１０２，１０３，１０４間を連通し、タンクから連通路１０６側への所定流量以上の流れに対しては内部の流路を遮断して、タンクからの水素ガスの流出を妨げるバルブである。このバルブの構造を図３を用いて説明する。図３は、過剰流量防止バルブ２１０の断面模式図である。
【００４０】
図３に示すように、この過剰流量防止バルブ２１０は、主に、ハウジングＡ２２０，ハウジングＢ２３０と、ハウジングＡ２２０，ハウジングＢ２３０の内部に挿入され、軸方向に進退可能なポペット２５０と、ポペット２５０を付勢するスプリング２４０と、ハウジングＢ２３０に外挿され、高圧タンク１０１の口金と締結するナット部分２６０とから構成され、ポペット２５０の進退動作により流路の開閉を行なうバルブである。
【００４１】
ハウジングＡ２２０は、略円筒形状を有しており、その内部にポペット２５０を挿入可能な大径内円筒２２１と連通路１０６の内径と同径である小径内円筒２２２とからなる段付きの内円筒を備えている。この内円筒の段付き部分は、スプリング２４０が当接する座面となる。小径内円筒２２２側のハウジングＡ２２０の端面は、連通路１０６の端面と突き合わせ、溶接にて接合される。
【００４２】
ハウジングＢ２３０は、略円筒形状を有しており、その端面には水素ガスが通過する穴を設けた端面部分２３１と、端面部分２３１近郊で円筒外周に鍔状の突起部分２３２とを備えている。ハウジングＢ２３０の内円筒は、ハウジングＡ２２０の外周径とほぼ同径であり、所定の部品と共にハウジングＡ２２０を挿入する。
【００４３】
ポペット２５０は、所定の深さの孔部２５１を有する円柱部分２５２と、その孔部２５１と反対側の端面に接合する円筒部分２５３とからなる。円柱部分２５２は、ハウジングＢ２３０の内円筒より小さく、ハウジングＡ２２０の大径内円筒２２１よりも大きな径の外径を有し、その側面は、円柱部分２５２を径方向に貫通する貫通孔２５４を備えている。貫通孔２５４は、孔部２５１と連通し、水素ガスの流路の一部を形成する。
【００４４】
円筒部分２５３は、ハウジングＡ２２０の大径内円筒２２１に挿入可能な外径を有し、その側面に円筒部分２５３の外部と内円筒とを連通する連通孔２５５を備えている。この連通孔２５５は、円柱部分２５２と円筒部分２５３との接合箇所の近郊に設けられ、ポペット２５０の進退動作により開閉する流路となる。なお、連通孔２５５は、貫通孔２５４よりも小径であり、連通孔２５５を通過する水素ガスは絞りを受けることとなる。
【００４５】
スプリング２４０は、ハウジングＡ２２０の内円筒の段付き部分とハウジングＡ２２０の内円筒に挿入されたポペット２５０の端面との間に介装され、ポペット２５０をハウジングＢ２３０側へ付勢する圧縮バネである。このスプリング２４０の付勢力により、初期状態（通常状態）では、連通孔２５５が開口し、各タンク間が連通した状態となる。
【００４６】
ナット部分２６０は、ハウジングＢ２３０を挿入可能な段付きの穴を有する六角外形形状をしており、その穴の周面には高圧タンク１０１の口金と締結する雌ネジを備えている。ナット部分２６０は、ハウジングＢ２３０に対して回転可能に組み付けられ、高圧タンク１０１の口金に締結される。この締結におけるネジの軸力により、ナット部分２６０の穴の段付き部分がハウジングＢ２３０の突起部分２３２を高圧タンク１０１の口金に押し付けることで、高圧タンク１０１とハウジングＢ２３０とは固定される。
【００４７】
こうした構成部品からなる過剰流量防止バルブ２１０は、ハウジングＡ２２０の大径内円筒２２１にスプリング２４０，ポペット２５０を順に挿入し、この状態のハウジングＡ２２０にナット部分２６０を組付けたハウジングＢ２３０を外挿し、ハウジングＡ２２０とハウジングＢ２３０とを溶接することで組み立てられる。なお、各高圧タンク１０１，１０２，１０３，１０４には、この過剰流量防止バルブ２１０がそれぞれ設けられ、過剰流量防止バルブ２１０と連通路１０６との接合、タンク口金へのナット部分２６０の締結により、各高圧タンク１０１，１０２，１０３，１０４の内部は連通状態となる。
【００４８】
こうして連通された各高圧タンク１０１，１０２，１０３，１０４の内圧に差が生じた場合には、内圧の高いタンクから低いタンクへ水素ガスの供給が行なわれる。例えば、高圧タンク１０１から高圧タンク１０２へ水素ガスの供給が行なわれる場合、高圧タンク１０１内部の水素ガスは、過剰流量防止バルブ２１０のハウジングＢ２３０の穴を経て、ポペット２５０の孔部２５１へ流れる。
【００４９】
孔部２５１へ流入した水素ガスは、貫通孔２５４，ハウジングＢ２３０の内円筒とポペット２５０の円柱部分２５２との間を経て、連通孔２５５からポペット２５０の円筒部分２５３の内部へと流れる（この流れの方向を順方向と呼ぶ）。水素ガスは、ポペット２５０の円筒部分２５３内部から、ハウジングＡの小径内円筒２２２，連通路１０６を通過して、高圧タンク１０２の過剰流量防止バルブ２１０内を上記の順方向とは逆に流れ、高圧タンク１０２に供給される。
【００５０】
この流れの過程で、孔部２５１の底面は、スプリング２４０の付勢力に抗した方向に、ポペット２５０の円筒部分２５３の内円筒底面は、スプリング２４０の付勢方向に、それぞれ水素ガスの圧力を受ける。水素ガスの圧力は、連通孔２５５の通過に伴う絞りの効果により低下するため、この２つの面にかかる圧力には差が生じる。その結果、ポペット２５０はスプリング２４０の付勢方向に抗した方向に差圧を受ける。連通路１０６へ流れる水素ガスの流量が所定流量以下である場合（通常状態と呼ぶ）には差圧が小さく、スプリング２４０の付勢力は差圧に打ち勝つ。この通常状態では、連通孔２５５は開口状態にあり、各タンク間で水素ガスのやり取りが行なわれる。
【００５１】
他方、連通路１０６へ流れる水素ガスの流量が所定流量以上、すなわち、通常状態よりも流量を増加する状況になる場合（過剰流量状態と呼ぶ）には差圧が大きく、差圧はスプリング２４０の付勢力に打ち勝つ。この過剰流量状態では、ポペット２５０は、ハウジングＡ２２０方向に移動し、ポペット２５０の円柱部分２５２とハウジングＡ２２０の端面とが当接することで連通孔２５５を閉じる。例えば、連通路１０６内部が急激に大気圧に低下するなどの大きな差圧が発生する場合には、過剰流量状態となり、ポペット２５０は瞬時に移動することとなる。
【００５２】
以上のように、過剰流量防止バルブ２１０を設けることで、車両の振動、衝撃等により高圧タンク１０１と連通路１０６との内部の差圧が急激に大きくなるような場合には、高圧タンク１０１と連通路１０６との接続は遮断される。したがって、高圧タンク１０１内部からの水素ガスの漏れを僅かに抑え、安全性を向上した装置とすることができる。
【００５３】
こうしたタンク装置の連通路１０６は、高圧タンク１０１，１０２，１０３，１０４に水素ガスを充填する場合にも利用できる。図４は、各タンクを接続する連通路と水素ガスの充填用の流路とを兼用したタンク装置の概略構成図である。このタンク装置４００から水素ガスを放出する減圧弁１１０等は、図１に示したタンク装置１００と同様であるため、符号を同一として説明は省略し、以下、充填用の流路を中心に説明する。
【００５４】
このタンク装置４００の充填用流路は、第１の充填流路４７０と、第２の充填流路４８０と、２つの流路と接続する分岐流路４９０とからなる。第１の充填流路４７０は、流路内を流れる水素ガスを調整する第１の電磁弁４２０、第１の電磁弁４２０と接続するオリフィス４４０、各高圧タンク１０１，１０２，１０３，１０４に設けた過剰流量防止バルブ２１０、オリフィス４４０と各過剰流量防止バルブ２１０と接続する連通路４０６、連通路４０６上に設けた圧力センサ４７５から構成され、分岐流路４９０を介して充填される水素ガスを各タンクへ導く。この連通路４０６は、図１に示した連通路１０６と同様に、１／１６インチの径を採用している。なお、電磁弁４２０は、通電により弁を進退させることで流路の開閉を行なうものであり、初期状態（非通電時）には流路が閉弁した状態となっている。
【００５５】
第２の充填流路４８０は、流路内を流れる水素ガスを調整する第２の電磁弁４３０、各高圧タンク１０１，１０２，１０３，１０４に設けたチェックバルブ４１０、第２の電磁弁４３０とチェックバルブ４１０とを接続する接続路４０７から構成され、第１の充填流路４７０と同様、分岐流路４９０を介して充填される水素ガスを各タンクへ導く。この接続路４０７は、１／２インチの径の配管とし、大流量を扱うのに適したものとしている。なお、チェックバルブ４１０は、水素ガスの流れが各高圧タンク１０１，１０２，１０３，１０４内部へ向かう方向の場合には、水素ガスを通過させ、タンク内部からの放出する方向（逆方向）の場合には、流れを遮断する。
【００５６】
分岐流路４９０は、外部の水素ガスの充填ポートと接続するカプラ４５０と、充填される水素ガスの圧力を検出する圧力センサ４９５と、外部の充填ポートと第１の充填流路４７０および第２の充填流路４８０とを接続する配管路４９１と、充填ポートからの水素ガスの逆流を防止するチェックバルブ４９７とから構成されている。カプラ４５０を介して充填された水素ガスは、分岐流路４９０で分岐して、第１の電磁弁４２０および第２の電磁弁４３０に流れる。なお、圧力センサ４７５，４９５からの信号は、図１に示した制御ユニット１２０に出力され、電磁弁４２０，４３０の開閉タイミングの決定に用いられる。
【００５７】
このタンク装置４００では、水素ガスの充填時以外は、電磁弁４２０，４３０への通電は行なわない。その結果、流路は遮断された状態であり、図２に示したタンク装置２００と同様な構成となる。すなわち、連通路４０６は、水素ガスの放出に伴って各高圧タンク１０１，１０２，１０３，１０４間に内圧のバラツキが生じる場合に、タンク間での水素ガスのやり取りをする流路として働き、各高圧タンク１０１，１０２，１０３，１０４間の内圧のバラツキを減少させる。
【００５８】
こうした構成のタンク装置４００における水素ガスの充填処理について説明する。図５は、充填時の電磁弁４２０，４３０の開閉タイミング決定処理のフローチャートである。この処理は、制御ユニット１２０で実行され、所定のタイミングで繰り返される。
【００５９】
外部の水素ガスの充填ポートがカプラ４５０に接続され、充填が始まると、制御ユニット１２０は、圧力センサ４７５，４９５の信号に基づいて、両圧力の差（以下、差圧ΔＰと呼ぶ）を求める（ステップＳ５００）。具体的には、圧力センサ４９５からの入力圧力Ｐ０と、圧力センサ４７５からの第１の充填流路４７０の回路圧力Ｐ１（すなわち、各高圧タンク１０１，１０２，１０３，１０４内の圧力）とから、差圧ΔＰ＝Ｐ０−Ｐ１を算出している。
【００６０】
制御ユニット１２０は、この差圧ΔＰが所定値αよりも大きい否かを判断する（ステップＳ５１０）。差圧ΔＰが所定値αよりも大きい場合には、第１の電磁弁４２０に開弁を指令する（ステップＳ５２０）。つまり、タンク内の水素ガスが空であり、タンク内圧Ｐ１が低いような場合には、第１の充填流路４７０を用いて充填が行なわれることとなる。第１の電磁弁４２０を通過した水素ガスは、オリフィス４４０を経て流量を下げ、各高圧タンク１０１，１０２，１０３，１０４に充填される。
【００６１】
他方、差圧ΔＰが所定値α以下である場合には、制御ユニット１２０は、第２の電磁弁４３０に開弁を指令する（ステップＳ５３０）。この場合、第２の充填流路４８０を用いて充填が行なわれる。第２の電磁弁４３０を通過した水素ガスは、配管径の大きな接続路４０７を経て、各高圧タンク１０１，１０２，１０３，１０４に充填される。この第２の充填流路４８０から充填された水素ガスは、チェックバルブ４１０の作用により、各タンクから逆流することはない。なお、本実施例では、ステップＳ５２０およびステップＳ５３０において、いずれかの電磁弁４２０，４３０への開弁指示の際には、他方への通電は行なわず、常に、一方の電磁弁４２０，４３０は閉弁状態となっている。
【００６２】
続いて、制御ユニット１２０は、水素ガスの充填を継続するか否かを判断する（ステップＳ５４０）。この判断は、例えば、入力圧力Ｐ０の圧力変化から判断すれば良い。ステップＳ５４０で、水素ガスの充填作業が終了し、入力圧力Ｐ０が低下すると、両電磁弁４２０，４３０への開弁信号（通電）を停止し、この処理を終了する。他方、ステップＳ５４０で、充填作業が継続していると判断した場合には、ステップＳ５００に戻り、一連の処理を繰り返す。
【００６３】
こうした充填処理により、第１の充填流路４７０と第２の充填流路４８０とを、差圧ΔＰに基づいて使い分けることができる。例えば、空の状態の各高圧タンク１０１，１０２，１０３，１０４に水素ガスを充填する場合、つまり差圧ΔＰの大きな状態での充填時には、オリフィス４４０を備え、配管径の細い第１の充填流路４７０を使用し、充填流量を抑えて、徐々に各高圧タンク１０１，１０２，１０３，１０４の内圧を上昇させる。差圧ΔＰが所定値α以下になった所で、第２の充填流路４８０に切り替えて、大流量の充填を行なう。したがって、充填時の急激な温度変化を発生させることなく、水素ガスの充填を行なうことができる。また、充填開始の段階から、差圧ΔＰが小さく所定値αを下回っていれば、初めから第２の充填流路４８０を用いた充填を行なう。したがって、特に充填時間を短縮することができる。なお、第２の充填流路に切り替える際、第１の充填流路もそのまま開弁し、２つの流路を用いることとしても良い。こうすることで、水素ガスの充填に要する時間を更に短縮することができる。
【００６４】
こうした２つの充填流路の切り替えの判断は、様々な態様が考えられるが、例えば、充填開始からの時間によって、流路を切り替えるタイミングを設定するものとしても良い。この場合、充填の初期段階には、第１の電磁弁４２０を開弁して、第１の充填流路４７０に水素ガスを流し、オリフィス４４０を経て流量を下げた水素ガスを各高圧タンク１０１，１０２，１０３，１０４に充填する。所定の期間、第１の充填流路４７０からの充填を行なった後、第１の電磁弁４２０を閉弁すると共に、第２の電磁弁４３０を開弁し、配管径の大きな第２の充填流路４８０から大流量の充填を行なうものとしても良い。こうした充填処理によれば、圧力センサ４７５，４９５は不要となる。
【００６５】
本実施例のタンク装置は、天然ガスのタンク、例えば、内燃機関に燃料としての天然ガスを供給する複数のタンク，圧縮天然ガスを用いたＣＮＧ車両の複数のタンクなどに用いることとしても良い。この場合、燃料電池システムに使用したのと同様、各タンクの内圧（残量）を均等にすることができる。
【００６６】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において様々な形態で実施し得ることは勿論である。本実施例の燃料電池システムでは、出力の増加に伴ってスタックでの水素ガスの消費が増加すると、燃料ライン３０の圧力が低下し、減圧弁１１０が作用して不足する水素ガスを供給するシステムである。この減圧弁１１０に代えて、例えば、タンク装置１００からの水素ガスの放出量を電気的に制御するニードル弁等を設け、燃料ライン３０の回路圧力を検出し、その検出値に基づいて、ニードル弁を積極的に制御して水素ガスの供給量を調整するものとしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明のタンク装置を搭載した車両の燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】連通路に所定流量以上の流れを防止するバルブを付加したタンク装置の概略構成図である。
【図３】過剰流量防止バルブの断面模式図である。
【図４】各タンクを接続する連通路と水素ガスの充填用の流路とを兼用したタンク装置の概略構成図である。
【図５】充填時の電磁弁の開閉タイミング決定処理のフローチャートである。
【符号の説明】
【００６８】
１０...燃料電池スタック
２０...エアライン
３０...燃料ライン
３５...温度センサ
４０...フィルタ
５０...コンプレッサ
６０...加湿器
８５，４７５，４９５...圧力センサ
９０...調圧バルブ
１００，２００，４００...タンク装置
１０１，１０２，１０３，１０４...高圧タンク
１０６...連通路
１０７，１０８...配管
１１０...減圧弁
１１５...シャットバルブ
１２０...制御ユニット
１２５...運転制御ユニット
１３０...減圧バルブ
１３５...アクセルポジションセンサ
１４０...水素循環ポンプ
１５０...インバータ
１６０...走行モータ
１７０...ＤＣ／ＤＣコンバータ
１８０...蓄電池
２１０...過剰流量防止バルブ
２２０...ハウジングＡ
２２１...大径内円筒
２２２...小径内円筒
２３０...ハウジングＢ
２３１...端面部分
２３２...突起部分
２４０...スプリング
２５０...ポペット
２５１...孔部
２５２...円柱部分
２５３...円筒部分
２５４...貫通孔
２５５...連通孔
２６０...ナット部分
４０６...連通路
４０７...接続路
４１０，４９７...チェックバルブ
４２０...第１の電磁弁
４３０...第２の電磁弁
４４０...オリフィス
４５０...カプラ
４７０...第１の充填流路
４８０...第２の充填流路
４９０...分岐流路
４９１...配管路
Ｐ，Ｐ０，Ｐ１...圧力
Ｑ...最大流量
Ｔ...温度
Ｖ...車速
ｑ...放出流量
【図１】
2005121173.tif 000003
【図２】
2005121173.tif 000004
【図３】
2005121173.tif 000005
【図４】
2005121173.tif 000006
【図５】
2005121173.tif 000007